《Discover Ecology》：Predicting the future of the Caatinga endemic Melocactus pachyacanthus under climate and anthropogenic landscape changes
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人为活动日益对全球生物多样性造成压力。仙人掌物种Melocactus pachyacanthus是巴西卡廷加（Caatinga）生物群系特有的濒危物种，尤其脆弱。本研究评估了气候变化、土地利用和火灾对巴伊亚州三个生态区中M. pachyacanthus分布的协
人为活动日益对全球生物多样性造成压力。仙人掌物种Melocactus pachyacanthus是巴西卡廷加（Caatinga）生物群系特有的濒危物种，尤其脆弱。本研究评估了气候变化、土地利用和火灾对巴伊亚州三个生态区中M. pachyacanthus分布的协同效应。为解决这种分布受限物种的数据稀疏问题，研究人员采用了小模型集成（Ensembles of Small Models, ESM）框架并结合重复交叉验证方案来评估当前气候适宜性并预测未来情景（2050年），将预测输出与土地利用和累积火灾数据叠加。当前基线模型确定了南塞尔坦尼亚洼地（Southern Sertaneja Depression）内适宜栖息地的高度集中。未来气候预测显示，所有生态区的适宜面积均出现惊人的收缩，其中圣弗朗西斯科沙丘（S?o Francisco Dunes）将变得完全不适。引人注目的是，历史土地利用转换加上火灾已经导致潜在栖息地可用性大幅减少（2022年约44.57%），接近在中等排放情景下（SSP2-4.5下约51.26%）预测的2050年长期宏观气候变化的总体幅度。研究结果强调了ESM框架作为识别优先保护区并指导建立严格保护区的稳健工具的重要性。这些结果凸显了在持续环境变化中采取积极土地利用政策以保护特有物种的迫切需要，并为全球旱地生态系统中气候与人类活动如何共同重塑物种分布提供了广泛见解。
卡廷加（Caatinga）生物群系是位于巴西半干旱热带气候区的季节性干燥热带森林，其独特的环境条件孕育了丰富的地方特有物种，但正面临来自气候变化、土地利用转变和火灾的多重压力。仙人掌科植物Melocactus pachyacanthus Buining & Brederoo是该生物群系的特有濒危物种，其分布范围狭窄，主要集中在巴伊亚州的南塞尔坦尼亚洼地（Southern Sertaneja Depression）和沙帕达迪亚曼蒂纳复合体（Chapada Diamantina Complex），并局限于平坦岩石露头生境。该物种依靠景天酸代谢（Crassulacean Acid Metabolism, CAM）适应极端水分短缺，但其生长缓慢、扩散能力有限，且早期发育阶段对环境扰动极为敏感，因此面临很高的灭绝风险。然而，针对气候变化、土地利用和火灾三大胁迫因子如何协同影响该物种分布的研究仍十分缺乏。为有效指导保护行动，研究人员基于生态位模型（Ecological Niche Modeling, ENM）框架，定量评估了多类人为胁迫对M. pachyacanthus当前及未来（2050年）生物气候适宜性和地理分布的影响。
研究人员从全球生物多样性信息机构（GBIF）和巴西生物多样性信息系统（SiBBr）共获取33个初始发生记录，经筛选和去重后保留18个有效点位用于建模。当前气候数据采用WorldClim v2.1的19个生物气候变量（1970–2000年），剔除会产生数学伪影的变量并进行相关性筛选后，保留温度季节性（BIO4）、最暖季度平均温度（BIO10）、年降水量（BIO12）和降水季节性（BIO15）四个非共线变量。为应对稀有种建模中的小样本问题，研究人员采用小模型集成（Ensembles of Small Models, ESM）策略，对广义线性模型（GLM）、广义加性模型（GAM）、最大熵模型（MAXENT）和支持向量机（SVM）四种算法进行10次重复、3折交叉验证，并以1:1的比例生成18个伪不存在点。模型性能通过曲线下面积（AUC/ROC）、真实技能统计量（TSS）、S?rensen相似性指数和连续Boyce指数（CBI）进行评价，最终以加权平均生成共识预测。未来气候情景采用SSP2-4.5（中等排放）和SSP5-8.5（高排放），并集成BCC-CSM2-MR、IPSL-CM6A-LR和MIROC6三个全球气候模型（GCMs）在2041–2060年（简称2050年）的模拟结果。此外，研究还利用多变量环境相似性曲面（MESS）分析未来气候的非类比环境，并将生物气候适宜性图与MapBiomas项目第8版土地利用和土地覆盖（LULC）数据及累计火灾（CF）数据叠加，量化人为扰动对栖息地的实际损失。
当前基线模型预测适宜面积为133,327.50 km2，其中南塞尔坦尼亚洼地是核心适宜区，覆盖109,066.40 km2；沙帕达迪亚曼蒂纳复合体适宜面积次之；圣弗朗西斯科沙丘仅580.01 km2，适宜性很低。模型验证显示各算法平均交叉验证AUC为0.81–0.83，最终共识模型AUC达0.93，表明预测具有较高可靠性。未来气候情景下，所有生态区的适宜面积均显著收缩：SSP2-4.5情景下总适宜面积减少51.26%，SSP5-8.5情景下减少69.50%。其中圣弗朗西斯科沙丘在SSP2-4.5下损失最严重（87.58%），南塞尔坦尼亚洼地在SSP5-8.5下损失达72.13%，沙帕达迪亚曼蒂纳复合体在两个情景下分别损失40.06%和57.27%。MESS分析显示，严格的新气候条件主要出现在研究区边缘过渡带，核心适宜区大多仍在历史气候包络内；不同GCM之间的高方差仅局限于沙帕达迪亚曼蒂纳复合体的高海拔交错区。
火灾和土地利用对当前生物气候情景下物种潜在发生的影响：累计火灾与高适宜栖息地的空间重叠较小，但随年份逐渐增加，对适宜面积的影响从1995年的2.84%升至2022年的5.70%。相比之下，人为土地利用和土地覆盖（LULC）转换与高适宜性像元高度重叠，1995年即已占据适宜栖息地的40.48%，2022年进一步扩大至43.20%。火灾与LULC的联合效应导致适宜栖息地累计减少，从1995年的41.70%上升到2022年的44.57%。这一当代人为景观扰动造成的栖息地损失量（约44.57%）已接近中等排放情景下2050年宏观气候变化单独导致的损失预估（约51.26%）。分生态区看，南塞尔坦尼亚洼地承受了最大的绝对栖息地损失，2022年LULC和联合扰动导致的损失分别为45.27%和46.70%；圣弗朗西斯科沙丘表现出去年际波动，LULC导致的比例损失在2015年达到58.72%峰值，2022年回落至43.94%；沙帕达迪亚曼蒂纳复合体的联合损失在2022年为34.77%。
研究讨论指出，南塞尔坦尼亚洼地是最有利于M. pachyacanthus长期存续的核心区域，但未来气候变化将使其适宜环境急剧萎缩，而圣弗朗西斯科沙丘的严重退缩可能使本就有限的边缘种群更加脆弱。土地利用是导致栖息地丧失和破碎化的首要人为驱动因子，火灾虽然空间重叠有限，但仍可通过降低土壤和植被质量造成威胁。由于物种扩散能力有限，面对快速的环境变化，自然迁移和追踪适宜生境的能力很可能不足。因此，研究建议优先恢复气候适宜却已退化的区域，并建立严格保护的公设保护区（Protected Areas, PAs），将生物气候预测整合进土地利用规划，以提升保护政策的有效性。
研究结论部分原文可翻译为：综上所述，M. pachyacanthus的持续生存与其生态限制和快速变化的环境条件之间的相互作用密切相关。尽管南塞尔坦尼亚洼地生态区目前是该物种最有利的区域，但未来气候情景显示适宜性将下降，而已存在于较不适合区域的种群可能依赖局部微气候条件存活。有限的扩散能力，加上农业扩张以及程度较小的火灾导致的栖息地退化加剧，进一步限制了该物种跟踪适宜环境的能力。鉴于这些制约因素，保护工作应优先考虑恢复退化但仍具有气候适宜性的区域，并建立管理良好的保护区以维护剩余种群。将生物气候预测与土地利用规划相结合，对于提高保护策略的有效性和减轻持续环境变化对该脆弱物种的影响至关重要。
